עצמות סינתטיות שעוצבו על ידי בינה מלאכותית שנקבעה לשנות ניתוחים אורטופדיים

חוקרים פיתחו חומר סינטטי דמוי עצם באמצעות למידת מכונה והדפסת תלת מימד, שמטרתה לשפר את הטיפולים האורטופדיים. חומר חדש זה עשוי להחליף שיטות כירורגיות מסורתיות, להפחית סיבוכים ולשפר את הריפוי.

למרות הארכיטקטורות הלא סדירות שלהם, לחומרים טבעיים כמו עצמות ונוצות ציפורים יש גישה יעילה ביותר לפיזור מתח פיזי. עם זאת, הקשר המדויק בין אפנון מתח למבנים שלהם חמק מזמן מהמדענים. במחקר שנערך לאחרונה, חוקרים השתמשו בלימוד מכונה, אופטימיזציה, הדפסת תלת מימד וניסויי מתח כדי לפתח חומר המשכפל את הפונקציונליות של העצם האנושית לשיקום עצם הירך האורטופדי, וחושף תובנות לגבי הקשר המורכב הזה.

אתגרים בתיקוני שברי עצם הירך

שברים של עצם הירך, העצם הארוכה ברגל העליונה, הם פגיעה נרחבת בבני אדם ונפוצים בקרב קשישים. הקצוות השבורים גורמים למתח להתרכז בקצה הסדק, מה שמגדיל את הסיכוי שהשבר יתארך. שיטות קונבנציונליות לתיקון שבר עצם הירך כוללות בדרך כלל פרוצדורות כירורגיות להצמדת לוחית מתכת סביב השבר באמצעות ברגים, מה שעלול לגרום להתרופפות, לכאב כרוני ולפציעה נוספת.

גישות חדשניות בתיקון אורטופדי

את המחקר הובילה שלי ג'אנג, פרופסור להנדסה אזרחית וסביבתית באוניברסיטת אילינוי אורבנה-שמפיין, יחד עם הסטודנט לתואר שני ינגקי ג'יה ופרופסור קה ליו מאוניברסיטת פקינג. עבודתם, שפורסמה ב תקשורת טבעמציגה גישה חדשנית לתיקון אורטופדי המשתמשת במסגרת חישובית הניתנת לשליטה מלאה כדי לייצר חומר המחקה עצם.

"התחלנו עם מסד נתונים של חומרים והשתמשנו בממריץ צמיחה וירטואלי ובאלגוריתמים של למידת מכונה כדי ליצור חומר וירטואלי, ואז למדנו את הקשר בין המבנה והמאפיינים הפיזיים שלו", אמר ג'אנג. "מה שמבדיל את העבודה הזו ממחקרים קודמים הוא שלקחנו את הדברים צעד קדימה על ידי פיתוח אלגוריתם אופטימיזציה חישובית כדי למקסם הן את הארכיטקטורה והן את התפלגות המתח שאנו יכולים לשלוט בהם."

במעבדה, הצוות של ג'אנג השתמש בהדפסת תלת-ממד כדי לייצר אב-טיפוס שרף בקנה מידה מלא של החומר החדש בהשראת ביו וצירף אותו לדגם סינתטי של עצם הירך האנושית השבורה.

לחומרים טבעיים כמו עצם, נוצות ציפורים ועץ יש גישה חכמה לחלוקת מתחים פיזיים, למרות הארכיטקטורות הבלתי סדירות שלהם. מחקר חדש המשלב למידת מכונה, הדפסת תלת מימד וניסויי מתח אפשר למהנדסים לקבל תובנות על פלאי הטבע הללו על ידי פיתוח חומר המשכפל את הפונקציונליות של עצם האדם לשיקום עצם הירך האורטופדי.

"קיום מודל מוחשי איפשר לנו להריץ מדידות בעולם האמיתי, לבדוק את יעילותו ולאשר שניתן לגדל חומר סינטטי בצורה מקבילה לאופן שבו מערכות ביולוגיות בנויות", אמר ג'אנג. "אנו רואים בעיני רוחנו עבודה זו עוזרת לבנות חומרים שיגרמו לתיקון עצמות על ידי מתן תמיכה והגנה אופטימלית מפני כוחות חיצוניים."

ג'אנג אמר כי ניתן ליישם את הטכניקה הזו על שתלים ביולוגיים שונים בכל מקום בו יש צורך במניפולציה של מתח. "השיטה עצמה די כללית וניתנת ליישום על סוגים שונים של חומרים כגון מתכות, פולימרים – כמעט כל סוג של חומר", אמרה. "המפתח הוא הגיאומטריה, הארכיטקטורה המקומית והתכונות המכניות המתאימות, מה שהופך את היישומים לכמעט אינסופיים."

פרס המלגה של הפקולטה של ​​David C. Crawford מ-U. of I. תמך במחקר זה.